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为薄膜应用优化基于ZrO2和HfO2的初始铁电体中的压电应变:从头算起掺杂剂筛选研究。
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2020-06-15 , DOI: 10.1021/acsami.0c08310
Max Falkowski 1 , Alfred Kersch 1
Affiliation  

HfO 2和ZrO 2作为铁电,热电和压电应用中薄膜的无铅且与硅技术兼容的材料越来越引起研究人员的兴趣,这些薄膜用于铁电场效应晶体管,铁电随机存取存储器,纳米级传感器和能量收集器。由于针对含铅电子元件的环境法规,HfO 2和ZrO 2与AlN,(K,Na)NbO 3-和(Bi 0.5 Na 0.5)TiO 3基材料一起提供了Pb(Zr)的替代品。x Ti 1– x)O 3基材料,在工业中是绝大多数使用的陶瓷。HfO 2和ZrO 2薄膜可能显示出场致相变,从顺电四方相转变为铁电斜方相,从而导致晶体体积变化,从而引起应变。这些场致应变已经在纯掺杂系统中进行了实验测量;然而,无论是实验还是理论上,都没有对压电活性进行系统的优化。在这项筛选研究中,我们根据氧气的供应和缺陷掺入类型(替代或间隙)来计算58种掺杂剂的最终效应大小。在ZrO 2中使用Yb,Li和Na可获得最大的压电应变值并且超过40 pm V –1或最大应变的0.8%,超过最佳实验结果的2倍。此外,我们发现Mo,W和Hg使ZrO 2的极性斜方晶相在一定条件下稳定在这种情况下,陶瓷结晶过程将有利于这些系统。我们的工作通过合理设计基本机制来指导有前途的材料系统性能的发展,以便将其应用于不可预见的应用中。



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更新日期:2020-07-22
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